坚硬顶板高应力巷道结构性大变形机理及稳定性控制技术

研发起止时间：2018.1~2021.4

完成单位：晋能控股煤业集团有限公司、中国矿业大学、晋能控股山西科学技术研究院有限公司

成果水平：国际领先

1 项目背景

晋能控股煤业集团有限公司洪崖煤矿目前主采2#及3#煤层层间距平均10 m，为近距离煤层。3#煤层上覆为2#煤层小窑采空区、已掘的废弃巷道以及残留的煤柱，局部存在高应力集中区域。2#煤层与3#煤层之间岩层岩性为细砂岩及砂质泥岩。上覆2#煤层残留煤柱受上覆岩层悬板影响承受高集中应力，并通过2#及3#煤层层间岩层向下传播，在3#煤层回采过程中小煤柱巷道承受高集中应力叠加强动压影响，巷道频繁发生大变形及冒顶灾害。为此亟须开展“坚硬顶板高应力巷道结构性大变形机理及稳定性控制技术”课题，有效解决坚硬顶板高应力巷道结构性大变形支护难题，使巷道支护更加规范、安全。

2 研究内容

（1）研究获得了巷道围岩结构性大变形灾害发生演化全过程，分析了巷道围岩破裂网络发育力学机制，明晰了高应力结构性大变形巷道碎胀、滑移、旋转及弯折变形模式，推导得到了围岩碎胀、滑移以及弯折变形表达式，揭示了围岩结构性大变形机理。

（2）研发了巷道围岩恒刚度约束剪切系统，开展了完整及裂隙试样恒刚度及等法向力直剪试验，研究了初始法向力及边界条件对岩石剪切力学行为的影响规律，建立了法向恒刚度边界条件下的抗剪强度与峰值剪胀率关系，阐明了恒刚度条件下岩石起裂、剪切磨损、残余滑移阶段剪切力学机制，揭示了三维粗糙节理面法向恒刚度约束下剪胀变形机理。

（3）基于不同截面含钢率条件下锚固体法向恒刚度约束直剪试验，研究获得了锚杆直径、密度对围岩变形、强度影响规律，建立了锚杆对岩石内聚力和内摩擦角的作用效果表达式，揭示了锚固承载圈对主承载区围岩约束加固效应机制，明晰了锚杆抗剪阻滑控制机理，提出了结构性大变形巷道阻剪抗滑闭环均压控制方法。

（4）开展了不同结构特征变形模块吸能压缩试验，优选高吸能比模块结构，获得了材质、壁厚、结构特征与索体最优匹配关系，优化了变形吸能模块制作工艺，研发了高吸能比、抗剪切、抗冲击、抗大变形、允许变形可调、可显示围岩变形的新型锚索及配套高强度托盘。

3 主要研究成果

（1）研究获得了高应力均质围岩巷道及坚硬顶板巷道围岩裂隙发育及块体运移规律，明晰了围岩高应力结构性大变形巷道碎胀、滑移、旋转及弯折变形模式，推导得到了围岩碎胀、滑移以及弯折变形表达式，揭示了高应力巷道围岩结构性大变形机理。巷道围岩破坏变形及块体运移如图1所示。

图1 巷道围岩破坏变形及块体运移

（2）明晰了法向恒刚度约束岩石剪切力学特性与剪胀大变形机制

自主研发了法向恒刚度约束岩石直剪试验系统（如图2所示），开展了完整及裂隙试样恒刚度及等法向力直剪试验，阐明了恒刚度条件下岩石起裂、剪切磨损、残余滑移三阶段剪切力学机制，确定了三阶段剪切强度表达式，获得了三轴压缩试验、等法向力直剪试验以及恒刚度直剪试验方法对岩石剪切强度、内聚力及内摩擦角的影响规律，明晰了法向恒刚度约束条件下岩石剪切力学机制。

图2 法向恒刚度约束岩石直剪试验系统

（3）开展了不同截面含钢率条件下锚固体法向恒刚度约束直剪试验，获得了初始法向力、截面含钢率对围岩峰值及残余强度定量强化规律，表征了锚杆劈裂导轨效应，提出了不同截面含钢率条件下锚固体内聚力强化、内摩擦角弱化表达式，揭示了法向恒刚度约束条件下锚杆对围岩的定量作用机制。

（4）研发了高吸能比抗剪升阻大变形锚索

开展了不同结构特征变形模块吸能压缩试验，优选了高吸能比模块结构，获得了材质、壁厚、结构特征与索体最优匹配关系，优化了变形吸能模块制作工艺，研发了高吸能比、抗剪切、抗冲击、可显示围岩变形的新型大变形、升阻锚索及配套高强度托盘。法向恒刚度约束直剪试验锚杆导轨效应及锚固强化作用如图3所示。

图3 法向恒刚度约束直剪试验锚杆导轨效应及锚固强化作用

4 应用效益

项目研究成果在晋能控股煤业集团有限公司临汾宏大洪崖煤矿进行了现场应用，降低了支护成本，相比原有支护方案更为安全高效，巷道稳定性得到有效控制，取得了良好经济和社会效益。研究成果可为矿区其他相近条件巷道稳定性控制提供参考，具有良好的推广前景。

本项目于2021年4月29日通过了中国煤炭工业协会组织的专家鉴定，研究成果达到国际领先水平。